Microscopic factors influencing dendrite growth

Der Wandel in der ökologisch-politischen Agenda in den letzten Monaten hat deutlich gemacht, dass ein Wandel in der Energiegewinnung und -speicherung nötig ist. Um diesen Wandel zu beschleunigen sind neue Batterietechnologien nötig. Momentan sind Li-Ionen Batterien an der Spitze, in der Zukunft sind aber Batterien mit einer höheren Energiedichte nötig. Ein solcher Batterie-Typ sind Batterien die auf Metall-Anoden basieren, diese neigen aber dazu, die Lebensdauer verringernde, kristalline Gewächse, sogenannte "Dendriten", auszubilden. Die am meisten verbreiteten Erklärungsansätze für jenes Dendritwachstum konzentrieren sich auf die Elektrolyt Zusammensetzung und jene der Festkörper - Elektrolyt Grenzschicht. Kürzlich erfolgte Experimente zeigten aber, dass dem Dendritwachstum sogenanntes Nadelwachstum vorhergeht. Die Bildung jener Nadeln geschieht aber auch bei der physikalischen Gasphasenabscheidung von Lithium auf verschiedene Metallsubstrate.[1] Daher scheinen elektrolyt-unabhängige Faktoren für die Bildung jener Dendrit-Vorläufer verantwortlich zu sein. Die erwähnten Ergebnisse legen nahe, dass metall-inhärente Eigenschaften für die Tendenz zum Dendritwachstum eines Metalls verantwortlich sind. Eine Untersuchung der Festkörper- und Oberflächeneigenschaften führte jedoch zu keiner Korrelation. Ein Vergleich verschiedener Diffusionsprozesse an Oberflächenstrukturen sagt die experimentell beobachtete rauhe Oberflächenmorphologie von Lithium und die flache Morphologie von Magnesium voraus. Des Weiteren wurde für verschiedene Metalle eine Korrelation mit der Diffusionsbarriere an Stufenkanten hergestellt. Ein erster Ansatz zur Berücksichtigung der elektrochemischen Umgebung war das Modellieren einer elektrochemischen Doppelschicht mit Hilfe eines auf die Oberfläche gerichteten künstlichen elektrischen Feldes mit Feldstärken von bis zu 0.1 V / Å. Es zeigte sich, dass der Einfluss jenes Feldes auf die untersuchten Prozesse und innerhalb dieser Feldstärken vernachlässigbar gering ist. Die Zyklisierbarkeit von Magnesium Anoden in Verbindung mit Iod-haltigen Elektrolyten ist sehr gut. Bisher wurde angenommen, dass hierfür eine besonders gute Diffusivität der Magnesium Ionen durch das sich an der Magnesiumoberfläche bildende Magnesiumiodid verantwortlich ist. Da die relevanten Insertionsenergien und die Leerstellenbildungsenergien aber positiv und sehr hoch sind, ist eine Diffusion von Magnesium durch jenes Salz sehr unwahrscheinlich. [1] J. Steiger: "Mechanisms of Dendrite Growth in Lithium Metal Batteries", Diss., Karlsruher Institut für Technologie (KIT) (2015); DOI: 10.5445/IR/1000045310.
Changes in ecological policies in the last few months have made it obvious, that a change in energy generation, and -storage is necessary. One crucial technology facilitating this change is battery technology. Currently, Li-ion batteries are dominant, however, in the future batteries with a higher energy density are necessary. One such battery type, that is currently being researched on, are batteries based on metal anodes. However, these batteries tend to grow crystalline growths called ’dendrites’, which drastically reduce the cyclability of such batteries. While the prevalent explanations for dendrite growth focus on the electrolyte composition, and consequently the solid-electrolyte interphase (SEI) composition, recent experimental investigations showed, that dendrite growth is preceded by needle-like precursors, which also grow via physical vapor deposition onto different metal foils.[1] Thus, electrolyte independent reasons seem to be responsible for the onset of the dendrite precursor growth. The mentioned findings suggest, that metal-inherent properties are responsible for the tendency of a metal to grow dendrites, or not. Investigations into bulkand surface properties of various metals did not yield a correlation with dendrite growth. A comparison of different diffusion processes at surface structures predicts the experimentally observed rough surface morphology of lithium, and the more flat one of magnesium. Additionally, for several investigated metals, a direct correlation was found with the downward across-step diffusion barrier. As a first approach to include the electrochemical environment in this work, an electrochemical double-layer (EDL) close to the metal surface was modeled by applying an artifical electric field with a strength of up to 0.1 V / Å onto the surface. It was found that for the investigated processes, and within this range, the effect of an electric field on diffusion barriers is neglectably small. Magnesium anodes with iodine-containing electrolytes posses a rather good cyclability. Up until now, an especially high diffusivity of the magnesium ions through magnesiumiodide, which forms on the magnesium surface, is presumed to be responsible. Another, rather suprising result of this thesis with respect to the above was, that the insertion energies of magnesium in magnesiumiodide, aswell as the vacancy formation energies of magnesiumiodide are positive and very large. Thus, a diffusion of magnesium through this salt is highly unlikely. [1] J. Steiger: "Mechanisms of Dendrite Growth in Lithium Metal Batteries", Diss., Karlsruher Institut für Technologie (KIT) (2015); DOI: 10.5445/IR/1000045310.